為什麼發現引力波是真正的「年度科學突破」？

導語：美國《科學》雜誌近日公布了其評選的2016年十大科學突破，有「時空漣漪」之稱的引力波被發現當選2016年頭號突破。

2016年是多災多難的一年。然而，2016年的科學研究卻是人們樂觀情緒的一個來源。

為了解決一個科學問題，你必須相信它是可以被解決的，這使得科學發現擁有了內在的樂觀精神。

這些發現能夠幫助我們更好地了解自己的世界——它傷痕纍纍、布滿瑕疵，卻又美得驚人——而並不常見的重大科學突破也為我們打開了新的認知大門。

2016年，我們迎來了一個這樣的突破。

「引力波的發現改變了科學的景觀。」《科學》雜誌在其評選的2016年十大科學突破中，將有「時空漣漪」之稱的引力波被發現評選為「本年度頭號突破」。

在2016年的2月和6月，物理學家兩度宣布，他們偵聽到時空漣漪發出的微弱「聲音」，那些漣漪是由兩個黑洞碰撞合并造成的。

這些觀測結果證實了「引力波」的存在，阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）曾在100多年前預言過它們，但在2016年以前，物理學家從未真正探測到引力波。

偵聽到引力波的儀器名為LIGO，即激光干涉引力波天文台，它由位於路易斯安那州和華盛頓州的兩個大型科學實驗項目組成。

這一發現意義重大，不僅僅是因為它回答了一個有100年歷史的問題，更因為它開闢了科學的一個全新分支。

目前，我們的天文望遠鏡只能觀測到釋放電磁輻射（可見光、X射線以及γ射線等等）的天體。但是，有些天體（比如相互碰撞的黑洞或者是宇宙大爆炸的確鑿證據）卻不會發出任何電磁輻射。相反，它們釋放的是引力。

這就可以解釋，為什麼有了引力波天文學之後，我們將可能很快觀測到宇宙中曾經不可見的天體。

LIGO已經獲得了非常多的榮譽：英國《自然》雜誌將該科研項目的領導者之一加布里埃拉·岡薩雷斯（Gabriela Gonzales）評為2016年度十大「重要人物」；《物理世界》雜誌（Physics World）將LIGO評為「年度突破」；《外交政策》雜誌（Foreign Policy）則把LIGO科學家列入年度「全球頂尖思想家」的名單。（LIGO科學家沒有拿到2016年的諾貝爾獎，但未來很有可能問鼎。）

LIGO和引力波向世人展示，在一個支離破碎的世界裡，科學進步仍然擁有強大的勢頭。 《科學》雜誌這樣總結髮現引力波的重要性：「一門新的科學在向我們招手。」

為什麼引力波很重要？

就像聲波擾動空氣來發出聲音，引力波會擾動時空結構對物質造成拉伸和擠壓作用，類似於照哈哈鏡。

如果引力波穿過了你，你的一隻手臂會變得比另一隻更長；如果你在兩個手腕上戴上時間一致的手錶，那麼引力波穿過這兩隻手錶的時間也不會同步。

兩顆中子星相互繞轉所產生引力波的二維示意圖。

任何有質量的物體加速運動都會產生引力波。「舉例來說，如果我非常用力地揮動手臂，我就能產生出引力波。」威斯康星大學密爾沃基分校的物理學家莎拉·考迪爾（Sarah Caudill）說道。

不過，我們沒有辦法檢測到那麼微弱的引力波。就目前來說，我們的感測器需要非常非常「響亮」的信號源，比如兩個黑洞的碰撞。

「此刻我就沐浴在引力波當中，你也沐浴在引力波當中，」LIGO實驗室的執行主任大衛·萊茲（Dave Reitze）說，「我們的干涉儀（即探測器）檢測不到它，其原因在於，那些波的振幅——即它們所製造信號的強度——遠遠低於我們探測器所能檢測的範圍。」

兩個黑洞碰撞會釋放出「響亮」*的引力驚雷，但等到引力波在14億年後抵達地球時，它們已經變得非常微弱（就像一塊石頭丟進池塘里，引起的漣漪會隨著擴散距離越來越大而逐漸變得微弱）。

LIGO（在去年聖誕節期間）偵聽到了一陣引力波，它的振幅約為0.7阿米。1阿米合10^-18米，比原子還要小。

下面的GIF動畫一開始展示了一個原子的寬度，然後逐漸放大至10^-18阿米。人類能夠探測到如此微小的物理現象，這實在令人驚奇。

LIGO由美國國家科學基金會（National Science Foundation）提供資金支持，該科研項目在路易斯安那州和華盛頓州開展了兩個大型實驗。兩處實驗的儀器都是巨型的L型真空管，每條管臂都長達2.5英里。

在實驗過程中，科學家會把一束激光均分射入兩條真空管。管道的末端是一面鏡子，它會把激光反射到起點。LIGO實驗的目的是找到證據，證明引力波會對時空造成足夠大的干擾，致使一條管臂暫時變得比另一條更長。

這一切讓科學家付出了數十年的努力：LIGO要驗證的理論是在上世紀20年代初被提出來的；LIGO項目在上世紀80年代開始建設，並於2002年首次開機；LIGO在2016年成功偵聽引力波並獲得確認則是科學家跨國合作的成果。

LIGO現在迎來了一個重要的時刻，但它也映襯出重大的突破需要極深的根基，而科學研究歸根結底是一種跨越世代的協作性努力。

引力波天文學還能讓我們了解哪些很酷的事情？

目前，科學家無法讓LIGO對著天空的一片區域來尋找引力波。相反，它只是偵聽那些在特定時刻穿過地球的引力波。而且，現在的LIGO還不能很好地定位那些引力波的信號源。

上圖是科學家於2015年12月26日偵聽到的引力波事件所在的大致位置，它在天空中是一片相當廣闊的區域。LIGO科學家在一份新聞稿中解釋說：「綵線區域代表了信號源所在位置的不同概率：引力波信號源位於最外層紫線區域的概率是90%；而落在最內層黃色區域的概率只有10%。

幸運的是，在未來數十年，全世界將啟用多達5台引力波探測器（還有一些會被放置在太空當中）。下一個亮相的探測器是義大利的VIRGO，它定於在2017年開始工作。有了3台探測器之後，科學家將能更好地在天空中找到引力波的信號源。

以下是未來引力波天文學能夠實現的一些很酷事情。

1）更進一步回望早期宇宙

我們目前使用的天文望遠鏡存在一個問題：它們無法觀測到非常早期的宇宙。

「如果我們憑藉可見光去觀測宇宙，那麼到了極限，宇宙就不再是透明的了；它會變得不透明。」麥克馬斯特大學的粒子物理學家里夫·伯吉斯（Cliff Burgess）說道，「對引力來說，幾乎沒有什麼東西是不透明的。」

有了LIGO，我們有可能偵聽到來自早期宇宙乃至大爆炸所產生的引力波，並更好地理解宇宙是如何形成的。

2）對愛因斯坦的廣義相對論加以改進

一個世紀前，愛因斯坦發表了他的廣義相對論。自那以後，這套理論就主導了我們對引力的理解。然而，包括愛因斯坦本人在內的物理學家早就猜測，廣義相對論是不完整的，因為它跟量子力學的定律格格不入。

引力波可以幫助物理學家對廣義相對論進行更加嚴格的測試，從而發現它在哪些地方是不成立的。

「我們已經發現，黑洞完全符合愛因斯坦在100年前提出的理論。」考迪爾說，「所以，那很酷。不過，隨著我們進行越來越多的探測，我們可以更深入地探查他的理論，或許還能在其中找到漏洞。」

3）發現新的中子星

中子星是恆星坍縮形成的緻密核心，它能釋放出巨大的引力。而且，一件很酷的事情是，中子星也能產生光。考迪爾表示，如果你能（通過LIGO）偵聽到諸如中子星碰撞或黑洞和中子星碰撞的天文事件，那麼你接著就可以用傳統的天文望遠鏡指向它們，觀看宇宙燈光秀。

4）了解黑洞相互繞轉有多常見

在去年2月的公告之前，科學家沒有觀測到表明兩個黑洞可以相互繞轉的證據。現在，我們已經看到它們可以這樣做。引力波天文學將幫助我們了解宇宙中存在多少相互繞轉的黑洞。

5）尋找暗物質的來源

從理論上說，暗物質在宇宙所有物質中的佔比達到了27%。但是，我們從未看到過暗物質（因為它們是暗的！），而且我們也不知道它們從何而來。

物質能夠產生引力，也許引力波可以幫助我們追蹤暗物質的來源。暗物質可能是以許多微小黑洞的形式存在的，它們可能是宇宙誕生之初所出現的「原始」黑洞的殘跡。我們目前還不清楚。

6）尋找新的奇異天體

宇宙是一個廣闊的暗黑空間。

「我們可能出乎意料地發現（引力）來源，」哈佛大學理論物理學家阿維·勒布（Avi Loeb）說，「那將是最令人興奮的。」

也許我們會找到「宇宙弦」的證據，這是理論假設中時空的奇異皺褶，其中蘊含了巨大的能量。只有LIGO的性能得到提升以及更多的同類儀器開始上線運行，我們才更有可能找到新的奇異天體。

那將類似於「從簡單的伽利略望遠鏡發展到我們在山頂安裝的天文望遠鏡，」萊茨說，「在接下來的50年里，這將是一個非常令人興奮的領域。」

翻譯：何無魚

來源：Vox